铰缝对宽幅空心板梁桥空间受力行为的影响

季德钧，易汉斌，江祥林

(1.青海省高等级公路建设管理局，青海 西宁 810000; 2.江西省桥梁结构重点实验室，江西 南昌 330038)

0 引言

20世纪90年代中期，PC 宽幅空心板以其卓越的经济性能(截面挖空率高、单板重量轻、钢筋用量少)而在我国公路桥梁建设中得到了广泛的应用。然而，通过20 多年的应用，发现该类桥梁存在结构性的先天不足(①结构安全储备偏小;②空心板间的铰缝构造不佳、横向传力不良而变形不协调;③空心板徐变反拱过大等等)而致结构存在安全隐患与耐久性达不到设计预期值。据统计，国内该类型桥梁存在最多的病害是铰缝失效后形成的单板受力现象，此时只有桥面铺装层参与宽幅空心板间力的传递［1～4］。因此，研究铰缝失效时该类桥梁空间受力的性能，具有重要的工程实用价值。

目前，吴迅［5］从力学理论计算和有限元分析入手，分析比较铺装层以及铰缝对横向分布的影响作用，并进一步分析厚度、配筋率等影响铺装层刚度的因素在横向分布中的作用;于长久［6］探讨了混凝土铺装层参与整体结构受力，以及铺装层参数对铰缝受力的影响;种永峰［7］通过试验得到了不同铰缝形式下板梁的挠度横向分布等。但上述研究仅通过对比桥面铺装层和铰缝协同作用及单独作用下的荷载横向分布来评价板梁整体受力性能，并未分析实际车辆荷载作用下梁板的空间受力。本文以某宽幅薄壁空心板桥为背景，建立空间有限元模型进行数值分析，探讨了该类桥梁的空间受力行为。

1 宽幅空心板桥的空间受力分析

1.1 工程背景及模型建立

某大桥上部构造均为20 m 后张法预应力混凝土宽幅空心板。每跨各设有16 片空心板，每块空心板预制宽155 cm，高90 cm，顶、底板厚10 cm，腹板厚11 cm，其横截面布置如图1所示。每块板各设有15 根 ASTM A416 －90a 270 级(直径 1.524 cm)钢铰线(采用先张法张拉)。

采用MIDAS FEA 有限元软件进行建模分析，板梁和铰缝均采用实体单元进行划分。本桥面铺装为下层10 cm 厚钢筋混凝土和上层4 cm 厚沥青混凝土的组合式铺装层。为真实反映桥面铺装层对结构受力性能的影响，本文采用实体单元对二者分别建模。两种铺装层共同参与结构受力，因而在考虑铺装层作用的有限元模型中，钢筋混凝土和沥青混凝土铺装层单独建模，采用各自弹性模量和泊松比，铺装层和桥面板共用节点。基于上述思路建立了两种模型:模型1(考虑铰缝和桥面铺装层共同作用)和模型2(仅考虑桥面铺装层作用)如图2所示。

图1 某大桥半幅横断面示意图(单位:cm)

图2 宽幅空心板梁桥有限元模型

1.2 汽车荷载作用下的空间受力分析

根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60 －2004)，公路桥涵设计时，汽车荷载由车道荷载和车辆荷载组成。桥梁结构的整体计算采用车道荷载;桥梁结构的局部加载、涵洞、桥台和挡土墙压力等的计算采用车辆荷载［8］。并且，在集中力(如轮载)附近铰缝剪力有局部峰值，因此，应采用车辆荷载计算铰缝内力［9］。

进行加载分析时，只考虑汽车荷载以点方式传递集中力，不考虑轮胎的接触问题。荷载布置按跨中受力最不利位置通过影响线求得，考虑跨中截面偏载(工况1)和中载(工况2)两种工况，如图3。

图3 车辆加载工况(单位:cm)

1.3 计算结果分析

目前，我国《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中，桥梁结构内力分析仍采用线弹性小变形假设，截面配筋设计采用弹性或弹塑性方法。为此空心板桥内力仍按照弹性阶段受力分析，有限元分析按照静力计算。工况1(跨中偏载作用)和工况2(跨中中载作用)下，宽幅空心板有、无铰缝作用的计算取值点如图4所示。

从表1中可知在荷载工况1 和工况2 作用下，铰缝在一定程度上能够改善A 和B 点处的受力，特别是在工况2 时，铰缝的作用能够明显减小B 点处的横向拉应力。

图4 计算取值示意图

表1 两种工况下计算点值

此外，为了说明有、无铰缝对荷载横向分布的影响，由工况1 偏心布载计算出各板挠度值，见表2。并且根据挠度结果计算得到相应各板荷载横向分布，见表3。根据传统铰缝板法理论［10］，荷载横向分布计算过程如下(计算结果列入表3):

1)首先计算空心板的刚度系数γ:

求得:γ=0.016 3。

2)考虑宽幅空心板的抗扭，计算β:

按照面积及抗弯刚度等效原则，把宽幅空心板截面等效为T 型截面，计算得到d1=65.5 cm;h1=10.6 cm，代入式中求得β=0.029 5。

3)查铰接板荷载横向分布影响线计算用表，并按直线线性内插法求得各片板的影响线竖标值。

表2 工况1 各板挠度值 mm

表3 工况1 各板荷载横向分布 %

从表2及表4中可知，在荷载工况1 和工况2下，有铰缝作用能够在一定程度上减小各板间的最大挠度值。

从表3和图5可以看出，工况1 时各板荷载横向分布曲线变化不明显，且有、无铰缝对应的计算值与理论计算值皆吻合较好。这是因为当车辆荷载作用于桥宽一侧时，主要靠剪力把荷载从一侧传向另一侧，弯矩显得次要，此时铰缝横向抗弯刚度显得次要。

从表5和图6可以看出，在工况2 中心布载作用下，模型1 和模型2 计算值的荷载(挠度)横向分布曲线形式基本一致，呈现中间大、两侧小的分布形式。

表4 工况2 各板挠度值 mm

表5 工况2 各板荷载横向分布 %

并且从图5和图6中可看出，模型1 较模型2的曲线更为平坦，说明铰缝在一定程度上改善了荷载的分布。

图5 工况1 各板荷载横向分布

图6 工况2 各板荷载横向分布

2 结论

针对宽幅空心(浅铰)结构，建立了有、无铰缝作用的两种有限元数值计算模型(模型1 和模型2)。并且针对两种模型，探讨了工况1(一侧布载)和工况2(中心布载)作用下整体结构的受力状态，得出了以下几点结论:

1)两种工况下，在弹性阶段(不考虑桥面铺装层开裂)有无铰缝不影响空心板的整体受力状态，且两种模型下各板的荷载横向分布相差很小。

2)两种工况下，随着铰缝有效高度的减小，宽幅空心板梁的荷载横向分布越趋近传统铰缝板法的计算值，各板之间的横向联系近似铰接。

3)铰缝能够显著地减小桥面铺装层下缘的横向拉应力，工况1 作用下模型1 铰缝底部横向拉应力为模型2 桥面铺装层底部(铰缝对应位置)横向拉应力的73.3%，工况2 作用下模型1 铰缝底部横向拉应力为模型2 桥面铺装层底部(铰缝对应位置)横向拉应力的46.7%。

［1］乔学礼.空心板铰缝破坏机理及防治措施研究［D］.西安:长安大学，2008.

［2］黄民水，朱宏平.空心板梁桥“单板受力”病害机理及其加固处治研究［J］.华中科技大学学报(自然科学版)，2008(2):118 －121.

［3］吴后选，李颉劲.药湖大桥上部构造典型病害产生机理及其处治对策研究［J］.公路交通科技(应用技术版)，2008(11):93 －95.

［4］项贻强，邢骋，邵林海，等.铰接预应力混凝土空心板梁桥的空间受力行为及加固分析［J］.东南大学学报(自然科学版)，2012(4):734 －735.

［5］吴 迅，李 薇.桥面铺装及铰缝对空心板梁横向分布的影响［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学，2009.

［6］于长久.空心板简支梁桥横向铰接缝病害分析［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学，2009.

［7］种永峰.空心板梁铰接缝模型实验研究［D］.西安:长安大学，2008.

［8］JTG D60 －2004，公路桥涵设计通用规范［S］.

［9］俞 博，叶见曙，等.装配式混凝土铰接板桥铰缝剪力计算［J］.深圳大学学报(理工版)，2011(1):60 －64.

［10］李国豪，石 洞.公路桥梁荷载横向分布计算［M］.北京:人民交通出版社，1987.